Teoria Fali Pilotującej i teoria de Broglie'a-Bohma kontra interpretacja kopenhaska. O niepewności w wyborze interpretacji mechaniki kwantowej, dowodach eksperymentalnych i problemach z właściwym zrozumieniem praw mikroświata

Źródło obrazu:

Wikimedia Commons

Witajcie po dłuższej przerwie. Ten wpis poświęcę teorii zmiennych ukrytych de Broglie'a-Bohma pod kątem filozofii ukrytego porządku i, tym razem, dowodów naukowych. W dodatku postaram się ją skonfrontować z interpretacją kopenhaską, starając się nie popierać, ani jednoznacznie nie odrzucać żadnej z tych teorii - z dwóch powodów. Obie teorie zostały stworzone przez fizyków, którzy mieli znacznie więcej doświadczenia i wiedzy, niż ja, więc nawet opierając się na danych z zewnątrz nie mogę być pewnym, że moje stanowisko jest słuszne. Po drugie, jeśli odrzuciłbym którąś z tych koncepcji - teorii naukowych - jednoznacznie, wykazałbym się nie tylko zamkniętym umysłem, ale również ignorancją, będącą przyczyną owego zamknięcia.

Czym jest ta teoria? Jaka jej definicja?

Zanim przejdziemy dalej, należy podać dokładnie definicję owej teorii, w przeciwnym razie trudno będzie zrozumieć temat, który zamierzam poruszyć. Oczywiście zacytuję artykuł z Wikipedii.

„Teoria fali pilotującej - pierwsza znana teoria zmiennych ukrytych zaprezentowana przez Louisa de Broglie w 1927, później zapomniana, a następnie odkryta ponownie i ulepszona przez Davida Bohma, nazywana obecnie teorią de Broglie'a-Bohma. Teoria ta pozbawiona jest problemów, jakie istnieją w standardowej interpretacji mechaniki kwantowej, jak natychmiastowy kolaps funkcji falowej oraz problem pomiaru (znany jako paradoks kota Schrödingera).

Teoria ta jest teorią nielokalną, co oznacza, że na ruch danej cząstki ma natychmiastowy wpływ ruch innych cząstek układu. Nielokalność ta nie pozwala jednak na przesyłanie informacji z prędkością większą niż prędkość światła w próżni, dlatego nie jest sprzeczna z teorią względności.

Teoria fali pilotującej jest jedną z szeregu interpretacji mechaniki kwantowej. Jak dotąd nie wykryto żadnych eksperymentalnych różnic między przewidywaniami fali pilotującej, a przewidywaniami standardowej interpretacji mechaniki kwantowej.

(...) Teoria fali pilotującej

Zasady

Teoria fali pilotującej jest teorią zmiennych ukrytych, przy czym:

• jest teorią obiektywnego realizmu (tzn. zakłada, że rzeczywistość istnieje niezależnie od obserwatora).
• jest deterministyczna.

Położenia i pędy cząstek są zmiennymi ukrytymi w tym sensie, że każda cząstka posiada jednocześnie ściśle określone położenie i pęd w każdej chwili czasu. Jednak nie można zmierzyć dokładnie obu tych wielkości jednocześnie, gdyż każdy pomiar jednej zaburza wartość drugiej - zgodnie z zasadą nieoznaczoności Heisenberga.

Zbiór cząstek ma odpowiadającą sobie falę materii, ewoluującą zgodnie z równaniem Schrödingera. Każda cząstka podąża deterministyczną trajektorią, kierowaną przez falę pilotującą. Zbiórczo, gęstość cząstek dopasowuje się do wysokości amplitudy funkcji falowej. Funkcja falowa nie podlega działaniu cząstek i może istnieć jako pusta funkcja falowa.

Teoria ujawnia nielokalność, która dana jawnie w nierelatywistycznych sformułowaniach mechaniki kwantowej, i używa jej do spełnienia twierdzenia Bella. Co interesujące, efekty nielokalności są kompatybilne z teorią niekomiunikacyjną, co zapobiega komunikacji z prędkością nadświetlną.

Konsekwencje

Teoria fali pilotującej pokazuje, że możliwa jest realistyczna i deterministyczna teoria zmiennych ukrytych, odtwarzająca wyniki eksperymentów mechaniki kwantowej. Ceną za to jest nielokalność‟.

Źródło cytatu:
Teoria fali pilotującej - Wikipedia, wolna encyklopedia

Teraz przejdźmy do udoskonalonej Teorii Fali Pilotującej, czyli Teorii de Broglie'a-Bohma.

Źródło:

Wikimedia Commons

„Teoria de Broglie-Bohma (także: teoria fali pilotującej, mechanika Bohma, interpretacja Bohma lub interpretacja przyczynowa) - interpretacja mechaniki kwantowej zakładająca, że:

1. stan układu fizycznego zależy od funkcji falowej, która określona jest w przestrzeni konfiguracyjnej układu oraz stanowi rozwiązanie równania Schrödingera.
2. układ znajduje się w każdej chwili w jednej z możliwych konfiguracji (którą stanowią pozycje wszystkich cząstek układu lub stany wszystkich pól fizycznych).
3. dynamikę układu zadaje tzw. równanie fali pilotującej, które określa wektor prędkość układu w danej chwili, dla zadanej konfiguracji; wektor ten zależy od funkcji falowej; dowodzi się, że tak zadana dynamika układu odtwarza efekty kwantowe”.

Źródło:
Teoria de Broglie’a-Bohma - Wikipedia, wolna encyklopedia

Teraz przejdźmy do innych artykułów, szczególnie tych, w których opisano eksperymenty „potwierdzające” owe teorie, jak i te, które poddają je w wątpliwość.

Źródło GIF'u:

Fale, cząstki i zabawy z dwoma dziurkami | Kwantowo.pl

Źródło obrazu:

Fizyka dla Laika czyli Nauka dla Tłuka

Źródło pośrednie, przypuszczalnie

Teraz zajmijmy się dowodami eksperymentalnymi na poparcie tych teorii i tymi, które je podważają.

Dowody za i przeciw

Najpierw zacytuję jeden artykuł na stronie popularyzującej naukę na ten temat. Potem podam źródła.

❠Na początku była światłość

Niewiele było w dziejach tak prostych i zarazem rewolucyjnych eksperymentów. Jeśli sięgniesz po dowolną lekturę poświęconą fizyce mikroświata, natkniesz się nań obowiązkowo, już w jednym z pierwszych rozdziałów. Choć pionierskie doświadczenie z dwoma szczelinami zostało przeprowadzone dwieście lat temu, ciągle podlega usprawnieniu i powtarzaniu. Warto zatem zadać sobie pytanie, dlaczego uczeni i popularyzatorzy nauki tak się go uczepili?

Doświadczenie opracowane przez Thomasa Younga służyło wyłącznie rozstrzygnięciu odwiecznego sporu na temat charakteru światła. Podczas gdy jedni fizycy z pewnością siebie opisywali światło jako strumień cząstek, inni przypisywali mu cechy fali - nie innej niż te, które możesz podziwiać na powierzchni morza. Anglik wymyślił najprostszy test z możliwych. Postanowił przepuścić światło przez przegrodę z otworami, co mogło dać tylko jeden z dwóch możliwych wyników. Wiedział, że jeśli światło skrywa naturę korpuskularną, to na ekranie ujrzy dwa leżące na przeciwko szczelin paski. Podobny efekt otrzymałbyś np. ostrzeliwując przegrodę za pomocą karabinu. (...)❞

Wzór typowy dla cząstek

Źródło:

Kwantowo.pl

❠(...) Jeśli jednak światło zachowuje się jak fala, to Young powinien zobaczyć coś zupełnie innego. Fala w takiej sytuacji ulegnie podziałowi, a następnie dojdzie do wzajemnych wzmocnień i wygaszeń. Jak widzisz na poniższej animacji, na ekranie ujawnią się liczne prążki, mądrze nazywane wzorem interferencyjnym. Zwróć uwagę, że najjaśniejszy prążek pojawia się na środku tablicy. W przypadku cząstek byłoby to wykluczone, bo przecież centrum pozostaje zasłonięte przez przeszkodę. (...)❞

Wzór interferencyjny, typowy dla fali

❠(...) I właśnie te, typowe dla fali paski, ujrzał podczas próby fizyk z Royal Institution. Nie byłoby to szczególnie intrygujące, gdyby nie fakt, że zarówno wcześniejsi jak i późniejsi eksperymentatorzy skutecznie wykazywali, że światło musi składać się z możliwych do wyodrębnienia drobinek. Stąd też każdy uczeń słyszy w szkole o dualistycznej, korpuskularno-falowej naturze światła.

Dla nas to jednak dopiero przystawka przed kwantowym daniem głównym.

Wszystko jest trochę falą

(...)❞

❠(...) Rezultaty doświadczenia Younga zawsze mógłbyś zbyć stwierdzeniem: No dobrze, jest to trochę dziwne, ale w sumie światło zawsze pozostawało jakieś inne. Jednak najbardziej niewiarygodne jest właśnie to, że ekscentryczny dualizm korpuskularno-falowy nie dotyczy tylko promieniowania elektromagnetycznego (bo tym w istocie jest światło) lecz... wszystkiego. Każdy obiekt w skali subatomowej wykazuje od czasu do czasu cechy fali. Nie ważne czy w analogicznym teście będziemy strzelać elektronami, protonami, neutrinami czy nawet całymi atomami - i rak po drugiej stronie zostanie zarysowany wzór interferencyjny. (Gwoli ścisłości: tak, sprawdzono to eksperymentalnie). Znów masz prawo zaprotestować. A może śląc strumień elektronów dochodzi między nimi do jakiejś interakcji, a interferencję daje się wytłumaczyć w miarę niewywrotowy sposób? Może wystarczy kontrolować emisję cząstek i strzelać nimi pojedynczo, najlepiej w dużych odstępach czasowych? Pojedyncza “kulka”, której nic i nikt nie przeszkadza, powinna przelecieć przez jeden z otworów i wylądować naprzeciw niego, jak Newton przykazał.

Chciałbyś, żeby było tak prosto, prawda? Przykro mi, ale ten pojedynczy skurczybyk ma całkiem sporą szansę wylądować pośrodku ekranu, czego w fizyce klasycznej nie mógłby dokonać. Co więcej, gdy spędzisz nad eksperymentem miesiąc i wystrzelisz pojedynczo kilka milionów elektronów, ku swojej irytacji ujrzysz paski interferencyjne. Nawet jeden, samotny elektron przebywa drogę typową dla fali. To tak jak gdybyś strzelał z karabinu przez przesłonę, a wystrzelone pociski samoistnie ułożyły na ścianie charakterystyczne prążki. Nie muszę chyba mówić, że takie zjawisko, w rzeczywistości dużych obiektów, jest absolutnie wykluczone.

A co stanie się, jeśli zasłonimy jedną ze szczelin?

W takim przypadku wszechświat nagle normalnieje, a wyrzucane elektrony tworzą jeden, klasyczny prążek. Mówi nam to coś bardzo ważnego o całym procederze. Pojedyncza cząstka zachowuje się jak gdyby wiedziała czy ma do dyspozycji jedną czy dwie dziury. To dopiero chore. nie dość, że cząstka bądź atom, o konkretnych rozmiarach i masie, podróżuje jakąś zakręconą trajektorią; to jeszcze zdaje się ogarniać jednocześnie cały obszar naszego eksperymentu.

W świecie kwantów fizyka klasyczna ustępuje miejsca całkiem nowym, zwariowanym regułom. (...)❞

❠(...) Czy mały obiekt znajduje się w kilku miejscach na raz? Jest rozsmarowany w przestrzeni? W jakiś sposób sprawdza wszystkie dostępne nam opcje? Typowa kwantowomechaniczna łamigłówka: mamy wyniki i znamy konsekwencje, ale sam przebieg procesu pozostaje przedmiotem spekulacji. Potrzebujemy interpretacji tego co wyprawia się między wyrzutnią cząstek a ekranem. Na razie w tym miejscu musimy spuścić zasłonę cenzury. (...)❞



Źródło:
Fale, cząstki i zabawy z dwoma dziurkami | Kwantowo.pl

Należy dodać, że teoria fali pilotującej de Broglie'a-Bohma na razie powinna być traktowana jako teoria probabilistyczna, nie jest to teoria, która została udowodniona jednoznacznie, ale niewiele brakuje do jej weryfikacji. Wystarczy, że prawa, na których się opierają zjawiska kwantowe zostaną dogłębnie zbadane i że założenia ludzi nauki zostaną zmodyfikowane.

Parę filmików o teorii de Broglie'a-Bohma, teorii fali pilotującej i teoriach zmiennych ukrytych.

Interpretacja kopenhaska

Można ja podać w skrócie, ale najpierw dam odpowiedni link:
Kopenhaska interpretacja mechaniki kwantowej - Wikipedia, wolna encyklopedia

W tej interpretacji jest kilka elementów:

• losowość ruchów cząstek elementarnych i kolapsu funkcji falowej
• kolaps (redukcja) funkcji falowej do postaci cząstek mierzalnych
• do zaistnienia zjawiska kolapsu funkcji falowej potrzebne są następujące elementy: układ badany, przyrząd pomiarowy i świadomy obserwator.

Jednakże ta interpretacja mechaniki kwantowej w ostatnim aspekcie za bardzo przypomina magię, żeby można ją uznać za interpretację zgodną z paradygmatami naukowymi.

I tutaj też podsyłam parę filmików.

A teraz parę linków o interpretacji kopenhaskiej:
Kim jest kwantowy obserwator? | Kwantowo.pl
Interpretacja kopenhaska | Neurolingwistyka.com
Naoczny dowód na naturę światła | KopalniaWiedzy.pl
Rosenbluma i Kuttnera: interpretacja kopenhaska, największa bzdura XX* wieku - Taraka
Świadomość określa istnienie « Wolne Media

Jeśli weźmie się pod uwagę wszystkie interpretacje mechaniki kwantowej i dowody eksperymentalne, i tak póki co nie mamy pewności, która interpretacja jest właściwa. Na redukcję funkcji falowej może mieć przypuszczalnie wpływ z alternatywnej (równoległej bądź prostopadłej) rzeczywistości. Interakcja między wymiarami nasuwa pewne wątpliwości. Skoro na poziomie mikroświata alternatywne rzeczywistości oddziałują na siebie wzajemnie, czy możliwe jest rozszerzenie tego efektu na poziom makro, a jeśli tak, jaki to może mieć wpływ na ciała fizyczne? Jednakże na razie nie mamy technicznego sposobu na rozszerzenie tunelu kwantowego między wszechświatami (jeśli takowy istnieje), co oznacza, że na razie nie możemy udowodnić jednoznacznie słuszności tej koncepcji.